(57)【要約】【課題】簡便なプラズマ発生装置を用いて、電子放出特性の優れた冷陰極を製造する方法を提供する。【解決手段】スパッタリング装置の陰極１１上に、電子放出源となる材料と同じ元素によって構成された被覆層２１が配置しておく。被覆層２１の上に、電子放出源となる材料によって構成された冷陰極用部材２０を配置し、陰極１１と陽極との間にプラズマ１５を発生させ、プラズマ１５に冷陰極用部材２０をさらすことによって、冷陰極用部材２０の表面に微小突起を形成する。これにより、簡便なスパッタリング装置を用いながら、陰極のスパッタリングによる不純物混入を防止でき、電子放出特性に優れた陰極を製造できる。【選択図】図２
2007323987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子放出源となる材料と同じ元素によって構成された被覆層が上面に配置された陰極を備えたスパッタリング装置の、前記被覆層の上に、電子放出源となる材料によって構成された冷陰極用部材を配置し、
前記陰極と陽極との間にプラズマを発生させ、該プラズマに前記冷陰極用部材をさらすことによって、該冷陰極用部材の表面に微小突起を形成することを特徴とする微小突起を備えた冷陰極の製造方法。
【請求項２】
電子放出源となる材料と同じ元素によって構成された被覆層が上面に配置された陰極と、それに対向するように配置された陽極との間に、電子放出源となる材料によって構成された冷陰極用部材を配置し、
前記陰極と陽極との間に電圧を印加することによりプラズマを発生させ、該プラズマに前記冷陰極用部材をさらすことによって、該冷陰極用部材の表面に微小突起を形成することを特徴とする微小突起を備えた冷陰極の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の冷陰極の製造方法において、前記陰極の下に予め磁石を配置し、プラズマを前記陰極付近に発生させることを特徴とする冷陰極の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の冷陰極の製造方法において、前記冷陰極用部材は、グラファイトであり、前記被覆層は、炭素からなることを特徴とする冷陰極の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の冷陰極の製造方法において、前記冷陰極用部材には、電子を放出すべき領域に、予め所定の溝が形成されていることを特徴とする冷陰極の製造方法。
【請求項６】
電界放出型冷陰極を備えた装置の製造方法であって、
前記電界放出型冷陰極を製造する工程は、
電子放出源となる材料と同じ元素によって構成された被覆層が上面に配置された陰極を備えたスパッタリング装置の、前記被覆層の上に、電子放出源となる材料によって構成された冷陰極用部材を配置する工程と、
前記陰極と陽極との間にプラズマを発生させ、該プラズマに前記冷陰極用部材をさらす方法によって該冷陰極用部材の表面に微小突起を形成する工程とを含むことを特徴とする電界放出型冷陰極を備えた装置の製造方法。
【請求項７】
電界放出型冷陰極を備えた装置の製造方法であって、
前記電界放出型冷陰極を製造する工程は、
電子放出源となる材料と同じ元素によって構成された被覆層が上面に配置された陰極と、それに対向するように配置された陽極との間に、電子放出源となる材料によって構成された冷陰極用部材を配置し、
前記陰極と陽極との間に電圧を印加することによりプラズマを発生させ、該プラズマに前記冷陰極用部材をさらすことによって、該冷陰極用部材の表面に微小突起を形成する工程とを含むことを特徴とする電界放出型冷陰極を備えた装置の製造方法。
【請求項８】
電子放出源となる材料と同じ元素によって構成された冷陰極用部材の、電子を放出すべき領域に、予め所定の溝を形成し、
該冷陰極用部材をプラズマにさらすことによって、該冷陰極用部材の前記領域に微小突起を形成することを特徴とする微小突起を備えた冷陰極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界放出型の冷陰極の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界放出型冷陰極は、微小な突起状の陰極を有し、突起に印加された電位により生じる電界を、ナノオーダー径の微小な先端に集中させる構造である。これにより、電子は、突起表面の仕事関数障壁をトンネル現象により通過するため、室温であっても電子を真空中に放出することができる。このような電界放出型冷陰極は、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）や、放射線源や、照明装置等に用いることができる。
【０００３】
電界放出型冷陰極の微小突起の形成方法としては、薄膜加工技術により形成した小さな円形の開口の内部に電極材料を堆積することにより、円錐型の微小突起を形成する方法が知られている。また。特許文献１には、アーク法等により予め形成しておいたカーボンナノチューブをバインダー溶液に分散し、これを電極上に塗布した後加熱し固定することにより、多数のカーボンナノチューブ（微小突起）が備えられた陰極を製造する方法を開示している。このとき特許文献１では、塗布の前に、カーボンナノチューブの表面にシリカゲル層を定着させておくことにより、塗布するカーボンナノチューブと電極との密着性を向上させている。
【０００４】
また、特許文献２には、表面が鏡面状のグラファイト基板をプラズマにさらすことにより、表面に微小な凹凸を形成し、凸部を微小突起として用いる電界放出型冷陰極の製造方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−７１８６３号公報
【特許文献２】特開２００５−３２６３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の方法で製造される冷陰極は、微小突起となるカーボンナノチューブと、それが固定される電極とは別部材であり、界面における電気抵抗が電圧降下を生じさせ、電流飽和の原因になる。
【０００６】
一方、特許文献２に記載のように、グラファイト基板の表面に微小な凹凸を形成する方法は、形成される突起はもともと基板の一部であるため、基板と突起との密着性および導電性に優れた冷陰極を製造することができる。
【０００７】
特許文献２に記載の製造方法は、プラズマにグラファイト基板をさらす必要があるが、プラズマの生成方法には種々の方法がある。例えば、マイクロ波プラズマを用いる場合、図１５のように、マイクロ波１０５の導波路１０１と交差するように石英管１０３を配置する構成にする。石英管１０３の内部に処理すべきグラファイト部材（グラファイトロッド）１０２が配置されたホルダー１０７を挿入する。また、石英管１０３の内側には、水素等の所定のガス１０６を供給する。この状態で、マイクロ波１０５を石英管１０３に照射すると、石英管１０３のマイクロ波照射部位（照射窓）の管内空間側に表面波が生じ、その電場によって電子が加速されることによりプラズマ１０４が発生する。
【０００８】
プラズマ１０４は、表面波の進行方向に沿って生じるため、石英管１０３のマイクロ波照射窓と、管内の複数のグラファイト部材１０２との位置関係によっては、プラズマに対して、他の部材１０２の影になる部材１０２が生じ、微細構造（凹凸）の生成にムラが生じることがある。また、マイクロ波プラズマを生成する装置は高価であるため、プラズマを用いながら安価に冷陰極を製造する方法が望まれる。
【０００９】
プラズマを生成することができる装置としては、プラズマを利用する成膜装置、特にスパッタリング装置が広く普及している。しかしながら、スパッタリング装置は、プラズマ中の正イオンによって陰極をスパッタリングする構成であるため、飛び出した陰極材料がグラファイト部材に付着する恐れがある。このため、形成された冷陰極の電子放出特性に影響を及ぼす可能性が高い。
【００１０】
本発明の目的は、簡便なプラズマ発生装置を用いて、電子放出特性の優れた冷陰極を製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様では、電子放出源となる材料と同じ元素によって構成された被覆層が上面に配置された陰極を備えたスパッタリング装置の、被覆層の上に、電子放出源となる材料によって構成された冷陰極用部材を配置し、陰極と陽極との間にプラズマを発生させ、プラズマに冷陰極用部材をさらすことによって、冷陰極用部材の表面に微小突起を形成する。これにより、簡便なスパッタリング装置を用いながら、陰極のスパッタリングによる不純物混入を防止でき、電子放出特性に優れた冷陰極を製造できる。
【００１２】
また、本発明の第２の態様では、電子放出源となる材料と同じ元素によって構成された被覆層が上面に配置された陰極と、それに対向するように配置された陽極との間に、電子放出源となる材料によって構成された冷陰極用部材を配置し、陰極と陽極との間に電圧を印加することによりプラズマを発生させ、プラズマに冷陰極用部材をさらすことによって、冷陰極用部材の表面に微小突起を形成する。これにより、対向電極という簡便な構成で発生させたプラズマによって、不純物混入を防止しながら、電子放出特性に優れた冷陰極を製造できる。
【００１３】
第１および第２の態様の冷陰極の製造方法において、陰極の下に予め磁石を配置し、プラズマを陰極付近に発生させることが可能である。これにより、電界と磁界による電子のドリフトを利用してプラズマ密度を高めたマグネトロンプラズマを生じさせ、その中に冷陰極用部材を設置することにより、効率的に微小突起を作成することができる。また、冷陰極用部材は、グラファイトを用いることができ、被覆層は、炭素からなる構成とすることができる。冷陰極用部材には、電子を放出すべき領域に、予め所定の溝を形成しておくことにより、形成される微小突起のアスペクト比及び密度を向上させることができる。
【００１４】
本発明の第３の態様によれば、電子放出源となる材料と同じ元素によって構成された冷陰極用部材の、電子を放出すべき領域に、予め所定の溝を形成し、この冷陰極用部材をプラズマにさらすことによって、冷陰極用部材の領域に微小突起を形成する冷陰極の製造方法が提供される。これにより、溝を形成しない場合よりも高アスペクト比および高密度な微小突起を備えた冷陰極を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の一実施の形態の冷陰極の製造方法について図面を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態として、マグネトロンスパッタリング装置を用いて、冷陰極を製造する方法について図１および図２を用いて説明する。
【００１６】
まず、電子放出源となる材料から形成され、所望の冷陰極の外形を有する部材２０を用意する。部材２０の形状は、冷陰極が用いられる装置に合わせて種々の形状のものを用いることができるが、部材２０の電子放出部となる領域が、マグネトロンスパッタリング装置で形成されるプラズマ内に入る大きさのものであることが望ましい。
【００１７】
例えば、照明や放射線源に用いる冷陰極の場合には、直径０．０５〜２ｍｍ程度、長さ１〜１００ｍｍの棒状のグラファイト部材を用いることができる。
【００１８】
本実施の形態では、予め棒状（円柱状）に形成されたグラファイト部材２０を用いる例について説明する。微小突起を形成する部分は、棒の先端面（上面）である。
【００１９】
なお、部材２０を構成する電子放出源となる材料としては、グラファイトの他に、炭素、窒化ホウ素、酸化亜鉛、モリブデン等を用いることができる。
【００２０】
マグネトロンスパッタリング装置は、一般的には、図１に示す構造を有している。すなわち、対向配置された陰極１１と陽極１２と、陰極１３の裏面側に配置された磁石１３とを備えている。磁石１３は、図１のように、中央に一方の極（図１ではＳ極）、陰極の周縁に沿って他方の極（図１ではＮ極）が配置されている。ここでは、一例として、陰極１１と陽極１２は円板状であり、磁石１３のＮ極がリング状に配置され、陰極１１の表面近傍の空間に円環状（ドーナツ状）のプラズマ１７が発生する例について説明するが、陰極１１と陽極１２が円板状ではない装置であっても構わない。陰極１１と陽極１２は、真空容器（不図示）内に配置され、少なくとも陰極１１と陽極１２との間の空間を所定の圧力に減圧する。また、ガス供給管（不図示）により、陰極と陽極１２との間の空間には所定のガスが供給される。
【００２１】
グラファイト部材２０の先端に微小突起を形成するために、プラズマによる化学的なエッチング作用を主に利用する場合には、供給するガスは、水素、酸素、CH４、CF４等を用いる。一方、物理的なスパッタリング現象を利用する場合には、Aｒや窒素等の不活性ガスを用いる。ガス圧は、０．１〜１００Ｐａの範囲に設定することが望ましい。
【００２２】
陰極１１と陽極１２との間に、電源１４から直流または高周波の電圧を電源１４から印加する。電源１４の出力は、１０〜８００Ｗ程度に設定することが望ましい。電圧の印加により、陰極１１と陽極１２との間の空間の電子が、磁石１３の磁界１７の磁力線と、それに直交する陽極１２と陰極１１との間の電界によってドリフト運動することによって、密度の高いマグネトロンプラズマ１５が発生する。このとき、磁石１３の形成する磁界と、陽極１２と陰極１１との間の電界が直交する場所が陰極１１の近傍の空間でドーナツ状であるため、プラズマ１５もドーナツ状に発生する。ここでは、一例として、陰極１１の径が約７．２ｃｍ、陰極１１と陽極１２との間隔が約２．５ｃｍ、ガス圧４Ｐａ、印加電力１００Ｗに設定する。ドーナツ状プラズマ１５は陰極１１上に生じ、その密度は周方向に沿って一様である。
【００２３】
マグネトロンスパッタ装置の通常の使用方法である成膜を行う場合には、陰極１６の表面に薄膜の材料となるターゲット１６を配置するが、本実施の形態では、ドーナツ状プラズマ１５を用いてグラファイト部材の先端に微小突起を形成するため、ターゲット１６は配置せず、図２のように、陰極１１上のドーナツ状プラズマ１５が形成される領域内に周方向に沿って、グラファイト部材２０を垂直に配置する。例えば、予め陰極１１の表面に設けておいた凹部にグラファイト部材２０の下端を挿入することにより、グラファイト部材２０を垂直に立てて配置することができる。なお、微小突起を形成したいグラファイト部材２０の先端は、ドーナツ状のプラズマ１５が発生する位置に配置しなければ効率的に加工できないため、生成されるプラズマ１５の高さよりも短いグラファイト部材２０を用いる必要がある。本実施例では、陰極１１と陽極１２との間隔の高さが２．５ｃｍであるため、陰極１１上に突出するグラファイト部材２０の長さが、２．５ｃｍ以下のものを用い、グラファイト部材２０の先端をプラズマ１５が生成される位置に配置する。
【００２４】
また、ドーナツ状のプラズマ１５は、周方向に沿って一様であるため、図２のように複数のグラファイト部材２０を周方向に沿って配置し、一度に加工することが可能である。
【００２５】
このように、上記マグネトロンプラズマ１５にグラファイト部材２０をさらすことにより、化学的なエッチング作用、物理的なスパッタリング作用、または両者が入り交じった作用により、グラファイト部材２０表面のプラズマ１５に接している部分すべてに凹凸が形成される。これにより、グラファイト部材２０の先端面（円柱上面）に微細な凹凸を形成することができる。よって、電子放出が可能な微小な多数の突起（凸部）を備えたグラファイト部材２０（冷陰極）を製造することができる。
【００２６】
このとき、スパッタリング装置の陰極１１自体にも、プラズマ１５による化学的なエッチング作用、物理的なスパッタリング作用が生じるため、陰極１１を構成する材料がスパッタリングされて、グラファイト部材２０の先端に付着する。そのため、陰極１１を構成する材料によっては、グラファイト部材２０の先端の微小突起の電子放出特性に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００２７】
そこで、本実施の形態では、金属製の陰極１１の少なくとも上面に、部材２０を構成する材料と同じ元素から構成される被覆層２１を配置している。これにより、陰極１１上面の被覆層２１が、プラズマ１５によってスパッタリングされることにより飛び出す材料は、電子放出源材料と同じ元素から成っている。よって、これがグラファイト部材２０の先端に付着しても、電子放出特性に悪影響を生じさせない。
【００２８】
被覆層２１を構成する材料としては、部材２０と同じ電子放出源材料を用いることが好ましいが、結晶構造が部材２０と同じである必要はなく、部材２０の構成元素と同じ元素からなる材料であればよい。よって、部材２０の結晶構造はアモルファスであってもよい。例えば、部材２０がグラファイト製である場合には、被覆層２１は、炭素によって構成される材料（同素体）によって構成されていればよく、アモルファスカーボン製でもよい。ただし、部材２０が窒化ホウ素、酸化亜鉛等の化合物やモリブデンから成る場合には、被覆層２１も部材２０と同じ窒化ホウ素、酸化亜鉛等の化合物やモリブデンによって形成することが望ましい。
【００２９】
このように、第１の実施の形態によれば、マグネトロンスパッタ装置を用いて部材２０の先端面に微小な突起を形成することができる。よって、マイクロ波プラズマを用いる場合のように高価なマイクロ波発生器を利用する必要がなく、所定の特性を満たす高圧電源１４でプラズマ１５を生成できるため、低コストで冷陰極を製造できる。
【００３０】
マグネトロンプラズマは、磁界を印加せず発生させたプラズマと比較して高密度であるため、効率よく微小突起を形成することができる。また、マグネトロン効果を利用したリング状のプラズマ１５は周方向について一様であるため、周方向に部材２０を設置することにより、形成される微細構造には設置場所によって生じる差が小さい。よって、複数のグラファイト部材２０に一度にムラのない微細構造を形成することができる。
【００３１】
また、陰極１１を電子放出材料の被覆層２１で覆うので、作製した部材２０からなる冷陰極は、微小突起に不純物が付着せず、良好な電子放出特性を発揮することができる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、DC（直流）またはRF（高周波）スパッタリング装置を用いて、微小突起を備えた冷陰極を製造する方法について説明する。第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、棒状（円柱状）のグラファイト部材２０の先端（上面）に多数の微小突起を形成する場合を例に説明する。
【００３３】
DCまたはRFスパッタリング装置は、図３に示したように、マグネトロンスパッタリング装置と同様に、対向配置された陰極１１と陽極１２とを有するが、磁石１３は備えない。また、DCまたはRFスパッタリング装置は、陰極１１と陽極１２との間の空間に所定のガスを供給するためのガス供給管（不図示）、ならびに、電源１４を備えている。ガス圧は、０．１〜１００Ｐａの範囲に設定することが望ましい。
【００３４】
電源１４から、陰極１１と陽極１２との間に直流または高周波電圧を印加する。電源１４の出力は、１０〜８００Ｗ程度に設定することが望ましい。電圧の印加により、陰極１１と陽極１２との間にプラズマ３１が生成される。このプラズマ３１は、ドーナツ状ではなく、陰極１１の径方向についてほぼ一様に発生する。ここでは、一例として、陰極１１の径が約７．２ｃｍ、陰極１１と陽極１２との間隔が約２．５ｃｍ、ガス圧４Ｐａ、印加電力１００Ｗ（ＤＣ電圧）を用いる。これにより陰極１１と陽極１２との間に発生したプラズマは、径方向についても周方向についてもほぼ一様である。
【００３５】
一般的なスパッタリング装置の使用方法のように薄膜を形成する場合には、図３のようにターゲット１６を陰極１１上面に配置するが、本実施の形態では、図４のように微細凹凸を形成すべきグラファイト部材２０を陰極１１上面に立てて配置する。また、図４のように一度に複数の部材２０を配置することができる。
【００３６】
このとき、陰極１１の上面は、第１の実施の形態と同様に、被覆層２１で覆う。被覆層２１は、部材２０の電子放出源材料を構成する元素からなる材料によって形成する。例えば、炭素からなる被覆層２１によって覆う。これにより、陰極１１がスパッタリングされて飛び出した材料が、グラファイト部材２０に付着した場合であっても、不純物とならず、グラファイト部材の電子放出特性に影響を与えにくい。被覆層２１を構成する材料の結晶構造については、第１の実施の形態の被覆層２１と同様である。
【００３７】
第２の実施の形態では、DCまたはRFスパッタリング装置によって陰極１１と陽極１２との間に生成されるプラズマに、グラファイト部材２０の先端面をさらすことができるため、この先端面に微細な凹凸を形成することができる。よって、多数の微小突起（凸部）を先端に備えたグラファイト部材２０（冷陰極）を製造することができる。
【００３８】
このように、第２の実施の形態では、DCまたはRFスパッタリング装置という広く普及した装置を用いながら、不純物の影響を受けることなく、微小突起を備えた冷陰極を製造することができる。
【００３９】
なお、線材形状の冷陰極を製造する場合には、電子放出源材料で構成された線材形状の部材５１を、図５のように、被覆層２１に配置することにより、線状部材の外周の陽極２１と対向する面をプラズマにさらすことができ、微小突起を形成することができる。
【００４０】
同様に、径の大きな面状の冷陰極を製造する場合にも、電子放出源となる材料で構成された板状部材または、図６（ａ）のような円柱状部材６２等、広い上面を有する部材を、図５と同様に、被覆層２１の上に陽極１２と対向するように配置する。これにより、陽極１２と対向する面に微小突起を形成することができる。
【００４１】
（第３の実施の形態）
第１および第２の実施の形態においては、部材２０の平らな上面をプラズマにさらすことにより微小突起を形成する方法について説明したが、第３の実施の形態は、図６（ｂ）のように部材６２の上面に、予め溝６３を形成しておくことにより、アスペクト比が大きく、密度が大きい、微小突起を備えた冷陰極を製造する方法について説明する。
【００４２】
部材６２の上面に形成しておく溝６３の形状としては、断面が矩形またはＵ字型のものが好ましい。溝６３の配置は、どのような配置であってもよく、格子状、平行配置、放射状のいずれであってもよい。
【００４３】
部材６２の形状は、どのような形状であってもよいが、例えば、後述する図８の構造をもった照明装置に用いる冷陰極の場合には、直径０．１〜２ｍｍ程度、長さ１〜１０ｍｍの棒状のグラファイト部材、または、直径１〜１０ｍｍ、厚さ１ｍｍ程度の円板状部材を用いることができる。
【００４４】
このように溝が形成された部材６２を、第１および第２の実施の形態同様に、被覆２１を備えた陰極１１上に配置して、プラズマにさらす。これにより、溝６３の内部にも、溝６３と溝６３との間の平らな部分６４にも微小突起を形成することができる。
【００４５】
溝を形成しない場合と比較して、溝６３の内部に形成される微小突起は、アスペクト比（突起の高さ／突起の基部の径）が大きく、しかも、密度高く形成することができる。また、平らな部分６４についても、溝６３を形成しない場合と比較して、形成される突起の密度が高くなる。特に、図７に示したように、溝６３を形成した上面の周辺領域７１の平らな部分６４は、溝を形成しない場合の上面の周辺領域７１の平らな部分よりも微小突起が密度高く形成される。
【００４６】
第３の実施の形態によって形成される微小突起は、アスペクト比が大きい程、電子を放出しやすく、突起の密度が高いほど、冷陰極の微小突起の数が増加するため、冷陰極から放出される電子量が大きい。よって、第３の実施の形態の製造方法を用いることにより、電子放出特性の優れた冷陰極を製造することができる。
【００４７】
（第４の実施の形態）
つぎに、第４の実施の形態として、第１〜第３の実施の形態で製造した冷陰極を用いた照明装置について説明する。
【００４８】
図８に、本実施の形態の照明装置の断面図を示す。一端が閉じ他端が開放された円筒状のガラスバルブ８１０の開放端に、フェースガラス８１１が低融点フリットガラスにより接着され、外壁が構成されている。外壁の内部の空間は、圧力が１．３３×１０−３Ｐａ（１×１０−５Ｔｏｒｒ）以下になるように真空排気されている。ガラスバルブ８１０内に、その閉じられた端部からフェースガラス８１１の方に向かって、冷陰極８１２、グリッド（電子引出電極）８１３、及び陽極８１４が順番に配置されている。
【００４９】
冷陰極８１２としては、上記第１〜第３の実施の形態の製造方法で作製されたグラファイト部材２０、５１、６２のいずれを用いることも可能である。棒状（円柱状）のグラファイト部材２０、６２を用いる場合、その長さが長すぎる場合には切断して用いることができる。グラファイト部材２０、５１、６２は、陰極配線（後述のリードピン８１７）に直接接着するか、別途用意した金属カップに固定した後、陰極配線（リードピン８１７）に取り付けることにより固定する。
【００５０】
グラファイト部材２０、５１、６２は、プラズマ処理によりその凹凸を付された面がフェースガラス８１１に対向している。冷陰極１２の凹凸が形成された面に対向するように、グリッド８１３が配置されている。グリッド８１３は平面に沿った形状にしてもよいが、冷陰極８１２から遠ざかる方向に膨らんだ球面に沿う形状にしてもよい。冷陰極８１２とグリッド８１３とに電圧を印加すると、両者が近づく向きの静電気力が発生する。グリッド８１３を球面に沿う形状にすることにより、グリッド８１３と冷陰極８１２との接触を生じにくくすることができる。
【００５１】
陽極８１４は円環状の導体で構成されている。なお、陽極８１４をメッシュ状にしてもよい。フェースガラス８１１の内面には厚さ２０μｍの蛍光体層８１６が密着するように配置され、その表面にアルミニウムからなる厚さ１００〜２００ｎｍのメタルバック膜８１５が形成されている。例えば、白色ランプを作製する場合には、白色蛍光体、例えばＹ２Ｏ３Ｓ：ＴｂとＹ２Ｏ３：Ｅｕとを混合した蛍光体を溶媒に溶かしてフェースガラス８１１の内面に塗布し、乾燥させることにより、蛍光体層８１６が形成される。
【００５２】
冷陰極８１２、グリッド８１３、及び陽極８１４は、それぞれリードピン８１７、８１８、及び８１９により、ガラスバルブ８１０内に支持されている。リードピン８１７、８１８、及び８１９は、ガラスバルブ８１０の閉じられた端部を貫通して外部まで導出されている。ガラスバルブ８１０内のリードピン８１９の先端が、接触片８２０を介してメタルバック膜８１５に電気的に接続されている。リードピン８１７を介して冷陰極８１２に所定の電圧が印加され、リードピン８１８を介してグリッド８１３に所定の電圧が印加され、リードピン８１９を介して陽極８１４に所定の電圧が印加される。さらに、接続片８２０を介してメタルバック膜８１５に、陽極８１４に印加されている電圧と同じ電圧が印加される。
【００５３】
リード線８１９のガラスバルブ８１０内にある部分の一部に、バリウム（Ｂａ）、チタン（Ｔｉ）等のゲッター材が溶接等により固定されている。ゲッター材は、ガラスバルブ８１０内を高真空に保つ役割を果たす。
【００５４】
冷陰極８１２とグリッド８１３との間に、冷陰極８１２から電子が放出されるのに充分な大きさの電圧が印加される。陽極８１４には、グリッド８１３に印加される電圧よりも高い電圧が印加される。冷陰極８１２から放出された電子が、グリッド８１３を通過し、陽極８１４に印加されている電圧によって加速され、メタルバック膜８１５に入射する。メタルバック膜８１５に入射した電子は、メタルバック膜８１５を貫通し、蛍光体層８１６まで到達する。これにより、蛍光体層８１６から蛍光が発生し、フェースガラス８１１を透過して外部に放射される。フェースガラス８１１に凸レンズの機能を持たせることにより、放射される蛍光を集光することができる。
【００５５】
例えば、グリッド８１３と冷陰極８１２との間隔が０．５ｍｍの場合、グリッド８１３を接地し、冷陰極８１２に−１０ｋＶの電圧を印加することにより、電流密度１ｍＡ／ｃｍ２の電流を得ることができる。陽極８１４には、３０ｋＶ程度の正電圧を印加する。これにより、エネルギー１０〜３０ｋｅＶの電子がメタルバック膜８１５に衝突し、白色蛍光体を効率よく発光させることができる。
【００５６】
このように、第４の実施の形態によれば、第１〜第３の実施の形態で得られた冷陰極を用いて装置を提供することができる。ここでは、管状の照明装置（フィールドエミッションランプ）を例に説明したが、球状、平面状のランプを構成することも可能である。また、第１〜第３の実施の形態で得られた冷陰極を用いて、Ｘ線源等の放射線源を構成することもできる。また、フィールドエミッションディスプレイ等の他の冷陰極装置を構成することも可能である。
【実施例】
【００５７】
（実施例１）
第１の実施例として、上記第１の実施の形態の製造方法により、マグネトロンスパッタリング装置を用いて冷陰極を製造した。使用したマグネトロンスパッタリング装置の構成および製造手順は、第１の実施の形態と同様である。マグネトロンスパッタリング装置は、陰極１１および陽極１２の径は約７．２ｃｍ、陰極１１と陽極１２との間隔は約２．５ｃｍとした。また、導入ガスはＡｒを用いた。陰極１１の被覆層２１は、グラファイト層である。
【００５８】
微小突起を形成する対象である部材２０としては、直径０．９ｍｍ、長さ１１ｍｍの棒状グラファイト部材を用いた。
【００５９】
このグラファイト部材２０を、マグネトロンスパッタリング装置の陰極１１上に予め設けた凹部に挿入して、図２のように立てて配置した。陰極１１上には、グラファイト部材２０が約５ｍｍ突出している状態であった。印加電力１００Ｗ、ガス圧４Ｐａで６０分間プラズマ処理し、先端面に凹凸を形成した。
【００６０】
処理後のグラファイト部材２０の凹凸が形成された先端面を走査型電子顕微鏡で撮影した写真を図９および図１０に示す。図９は、グラファイト部材２０の先端面の中心領域７２（図７参照）の写真であり、図１０は、部材２０の先端面の周辺領域７１（図７参照）の写真である。図９および図１０より、本実施例のプラズマ処理により、グラファイト部材２０の先端面に微小な突起が多数形成されていることがわかる。
【００６１】
同一のグラファイト部材２０の先端面であっても、その中心領域７２に形成された微小突起と、周辺領域７１に形成された微小突起とは形状が異なっていた。先端面の中心領域７２に形成された微小突起は、図９のような形状であり、根元の径が２００〜１５００ｎｍ程度、高さが５００〜７００ｎｍ程度であった。一方、周辺領域７１に形成された微小突起は、図１０のような形状であり、根元の径が３００〜１０００ｎｍ程度、高さが２００〜１０００ｎｍ程度であった。よって、先端面の中心領域７２に形成された微小突起の方が、先端面の周辺領域７１に形成された微小突起よりも、アスペクト比が大きく、鋭い突起であった。
【００６２】
実施例１の方法でプラズマ処理されたグラファイト部材２０（冷陰極）について、電子放出特性を測定した。その結果を図１１に示す。図１１の横軸は、冷陰極の表面の電界の大きさ（Ｖ／μｍ）であり、縦軸は、放出された電子による電流値（Ａ）を示している。図１１より、実施例１の冷陰極は、電界８Ｖ／μｍから急峻に電流値が立ち上がっていた。このことから、本実施例の冷陰極は抵抗が小さく、電子放出特性に優れていることが確認された。
【００６３】
このように、実施例１の製造方法を用いることにより、マグネトロンスパッタリング装置を用いて、電子放出特性に優れた冷陰極を製造することできた。マグネトロンスパッタリング装置は、マイクロ波プラズマ発生装置よりも構成が簡単であり、しかも、発生するプラズマが高密度で一様であるため、複数の冷陰極を一度に効率よくプラズマ処理することができる。よって、実施例１の製造方法を用いることにより、電子放出特性に優れた冷陰極を、低コストに量産することが可能である。
【００６４】
（実施例２）
つぎに、第２の実施例として、上記第３の実施の形態の製造方法により、予め溝６３を形成した部材６２に、マグネトロンスパッタリング装置を用いて微小突起を形成することにより冷陰極を製造した。使用したマグネトロンスパッタリング装置の構成およびプラズマ処理の条件は、実施例１と同様である。
【００６５】
微小突起を形成する対象である部材６２は、実施例１の部材２０と同じ大きさの棒状グラファイト部材を用い、先端面に溝６３を予め形成した。溝６３の形状は断面が矩形であった。溝６３の配置は、放射状である。
【００６６】
このように溝が形成された部材６２を、図２のように被覆２１を備えた陰極１１上に配置して、印加電力１００Ｗ、ガス圧４Ｐａで６０分間プラズマ処理し、先端面に凹凸を形成した。
【００６７】
処理後のグラファイト部材６２の凹凸が形成された先端面を走査型電子顕微鏡で撮影した写真を図１２および図１３に示す。また、溝６３部分の断面図を図１４に示す。図１２は、グラファイト部材６２の先端面の中心領域７２（図７参照）の写真であり、図１３は、部材６２の先端面の周辺領域７１（図７参照）の写真である。図１２および図１３より、本実施例のプラズマ処理により、グラファイト部材６２の先端面に微小な突起が多数形成されていることがわかる。中心領域７２に形成された微小突起（図１２）は、周辺領域７１に形成された微小突起（図１３）と比較して、アスペクト比が大きく、鋭い突起になっていることについては、実施例１と同様である。
【００６８】
具体的には、先端面の中心領域に形成された微小突起は、図１２のような形状であり、根元の径が２００〜１０００ｎｍ程度、高さが７〜３０μｍ程度であった。周辺領域に形成された微小突起は、図１３のような形状であり、根元の径が３００〜９００ｎｍ程度、高さが４００〜１８００ｎｍ程度であった。これにより、中心領域７２および周辺領域７１のいずれも、溝６３を形成しない実施例１の中心領域７２および周辺領域７１の微小突起（図９，図１０）よりもさらに、微小突起のアスペクト比および密度が大きくなっていることが確認された。
【００６９】
また、図１４より、溝６３の内部の突起は、溝６３と溝６３の間の平らな部分６４（図６（ｂ）参照）よりも、さらに高アスペクト比の微小突起が形成されていることがわかる。
【００７０】
このように、予め溝６３を形成しておいた部材をプラズマ処理することによって、高アスペクト比の突起を形成できることが確認できた。特に、電子放出をさせたい部分に溝６３を切ることによって、溝６３の内部からも電子放出が生じるような高アスペクト比の突起を作製することができる。
【００７１】
本実施例２の方法でプラズマ処理されたグラファイト部材６２（冷陰極）について、電子放出特性を測定した。その結果を図１１に示す。図１１より、実施例２の冷陰極は、電界６Ｖ／μｍから急峻に電流値が立ち上がっていた。このことから、実施例２の冷陰極は実施例１の冷陰極よりもさらに抵抗が小さく、電子放出特性に優れていることが確認された。
【００７２】
実施例２の製造方法のように予め処理対象部材に溝を形成しておくことにより、マグネトロンスパッタリング装置を用いて、電子放出特性に優れた冷陰極を製造することできた。マグネトロンスパッタリング装置は、マイクロ波プラズマ発生装置よりも構成が簡単であり、しかも、発生するプラズマが高密度で一様であるため、複数の冷陰極を一度にプラズマ処理することができる。よって、実施例２の製造方法を用いることにより、実施例１の冷陰極よりもさらに電子放出特性に優れた冷陰極を、低コストに量産することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】第１の実施の形態で用いるマグネトロンスパッタリング装置の構成を示す説明図。
【図２】図１のマグネトロンスパッタリング装置の陰極１１上に部材２０を配置した状態を示す斜視図。
【図３】第２の実施の形態で用いるＤＣまたはＲＦスパッタリング装置の構成を示す説明図。
【図４】図３のＤＣまたはＲＦスパッタリング装置の陰極１１上に部材２０を配置した状態を示す斜視図。
【図５】図３のＤＣまたはＲＦスパッタリング装置の陰極１１上に線材状の部材５１を配置した状態を示す斜視図。
【図６】（ａ）上面が平らな円柱状部材を示す斜視図、（ｂ）第３の実施の形態で用いる上面に溝を形成した円柱状部材を示す斜視図。
【図７】円柱状部材２０、６２の上面における周辺領域７１と中心領域７２とを示す斜視図。
【図８】第４の実施の形態の照明装置の構成を示す断面図。
【図９】実施例１のプラズマ処理で形成された、部材２０上面の中心領域の凹凸を示す走査型電子顕微鏡写真。
【図１０】実施例１のプラズマ処理で形成された、部材２０上面の周辺領域の凹凸を示す走査型電子顕微鏡写真。
【図１１】実施例１および実施例２で製造された冷陰極の電子放出特性を示すグラフ。
【図１２】実施例２のプラズマ処理で形成された、部材６２上面の中心領域の凹凸を示す走査型電子顕微鏡写真。
【図１３】実施例２のプラズマ処理で形成された、部材６２上面の周辺領域の凹凸を示す走査型電子顕微鏡写真。
【図１４】実施例２のプラズマ処理で形成された、部材６２の溝部分の断面についての走査型電子顕微鏡写真。
【図１５】マイクロ波プラズマ発生装置を用いてグラファイトロッドをプラズマ処理する場合の装置構成を示す説明図。
【符号の説明】
【００７４】
１１…陰極、１２…陽極、１３…磁石、１４…電源、１５…ドーナツ状プラズマ、１６…ターゲット、１７…電界、２０…処理対象の部材、２１…被覆層、３１…プラズマ、６２…処理対象部材、７１…周辺領域、７２…中心領域。
【図１】
2007323987.tif 000003
【図２】
2007323987.tif 000004
【図３】
2007323987.tif 000005
【図４】
2007323987.tif 000006
【図５】
2007323987.tif 000007
【図６】
2007323987.tif 000008
【図７】
2007323987.tif 000009
【図８】
2007323987.tif 000010
【図１１】
2007323987.tif 000011
【図１５】
2007323987.tif 000012
【図９】
2007323987.tif 000013
【図１０】
2007323987.tif 000014
【図１２】
2007323987.tif 000015
【図１３】
2007323987.tif 000016
【図１４】
2007323987.tif 000017